EP2710704B1

EP2710704B1 - Système et procédé d'estimation de l'instant de fin de charge d'une batterie

Info

Publication number: EP2710704B1
Application number: EP12728718.3A
Authority: EP
Inventors: Fehd Ben-Aicha; Ana-Lucia DRIEMEYER-FRANCO; Claire Oberti
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: KR102057311B1; FR2975543A1; EP2710704A2; KR20140034841A; CN103718418A; US20140125348A1; FR2975543B1; WO2012156650A2; CN103718418B; WO2012156650A3

Description

L'invention a pour domaine technique les systèmes de charge d'éléments de stockage d'énergie électrique.
L'estimation du temps de fin de charge d'une batterie représente une information importante pour les utilisateurs de ce type d'organe de stockage d'énergie. Cette information facilite par exemple une meilleure utilisation du temps d'attente de la charge de la batterie pour l'utilisateur. Cette information permet également à des systèmes embarqués de mieux gérer l'utilisation de l'énergie dans un véhicule électrique ou hybride afin d'augmenter l'autonomie du véhicule.
La demande de brevet EP 0 731 546 A1 divulgue un chargeur de batterie capable d'afficher le temps de charge nécessaire. Il a pour inconvénient d'être imprécis.
On identifiera également les documents WO 00/23810 A1 , US 2008/231284 A1 , WO 2007/045673 A1 et enfin EP 1 231 476 A2 qui décrivent de même un système et un procédé selon le preambule des revendications independantes 1 et 6.
Un but de l'invention est d'estimer avec précision l'instant de fin de charge d'une batterie.
Un autre but de l'invention est d'estimer l'instant de fin de charge d'une batterie soumise à un vieillissement.
L'invention est définie par les caractéristiques des revendications independantes. Les modes de réalisation préférés sont définis par les revendications dependantes 1 et 6.
Dans un mode de réalisation, on propose un système d'estimation de l'instant de fin de charge d'une batterie connectée à un chargeur de batterie dans un véhicule automobile. Le système comprend un moyen de détermination de l'état de charge d'une batterie, un moyen de détermination de la puissance de charge du chargeur de batterie et un moyen de détermination d'un instant de fin de charge. Par état de charge, on entend le rapport entre la charge courante et la charge maximale.
Le système de détermination présente l'avantage de tenir compte des différences entre début et fin de charge dans la détermination de la durée de charge restante.
Le moyen de détermination d'un instant de fin de charge peut comprendre un moyen de détermination d'une durée de début de charge et un moyen de détermination d'une durée de fin de charge.
Le système peut comprendre un moyen de correction de l'instant de fin de charge en fonction du vieillissement de la batterie relié en sortie du moyen de détermination d'un instant de fin de charge et apte à modifier l'instant de fin de charge en fonction de l'état de vieillissement de la batterie.
Le moyen de détermination d'un instant de fin de charge peut comprendre un moyen de modélisation de la batterie et un moyen de modélisation de l'instant de fin de charge.
Le moyen de modélisation de la batterie permet de tenir compte des caractéristiques physiques de la batterie qui sont non linéaires afin d'améliorer l'estimation de l'instant de fin de charge.
Le système de détermination présente alors l'avantage d'une mise au point plus rapide et une plus grande adaptabilité à différentes batteries.
Le moyen de modélisation de l'instant de fin de charge peut être apte à déterminer l'instant de fin de charge en fonction d'un modèle mémorisé, de coefficients reçus d'un moyen de modélisation de la batterie, d'une valeur de charge maximale de la batterie reçu d'une mémoire, d'une mesure de l'état de charge, d'une mesure de la puissance de charge, et d'une mesure de la température de la batterie reçu d'un capteur de température de la batterie.
Le système peut comprendre un moyen de détermination du vieillissement de la batterie relié entre la mémoire et le moyen de détermination de l'instant de fin de charge.
Le système peut comprendre un filtre en aval du moyen de détermination de l'état de charge d'une batterie et du moyen de détermination de la puissance de charge du chargeur de batterie permettant d'atténuer les bruits de mesure.
Un tel système d'estimation de l'instant de fin de charge peut être intégré dans un dispositif de contrôle d'une batterie ou dans un dispositif de contrôle d'un groupe motopropulseur de véhicule automobile connecté à une batterie.
Il est également proposé un procédé de détermination de l'instant de fin de charge d'une batterie, dans lequel on détermine l'état de charge d'une batterie, on détermine la puissance de charge du chargeur de batterie et on détermine un instant de fin de charge en fonction de l'état de charge et de la puissance de charge.
On peut déterminer une correction de l'instant de fin de charge en fonction du vieillissement de la batterie.
On peut déterminer l'instant de fin de charge en fonction d'un modèle, d'une valeur de charge maximale mémorisée, d'une mesure de l'état de charge, d'une mesure de la puissance de charge, et d'une mesure de la température de la batterie.
D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 illustre un premier mode de réalisation d'un système de détermination selon l'invention, et
la figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation d'un système de détermination selon l'invention.

Sur la figure 1, on peut voir un moyen de détermination 1 de l'état de charge relié par une connexion 2 à un moyen de détermination 3 de la durée de début de charge, et par une dérivation 4 de la connexion 2 à un moyen de détermination 5 de la durée de fin de charge. Un moyen de détermination 6 de la puissance du chargeur de batterie est relié par la connexion 7 au moyen de détermination 3 de la durée de début de charge, et par une dérivation 8 de la connexion 7 au moyen de détermination 5 de la durée de fin de charge.
Un sommateur 10 est relié par une connexion 9a au moyen de détermination 3 de la durée de début de charge, et par une connexion 9b au moyen de détermination 5 de la durée de fin de charge.
Une connexion 12 est reliée en sortie du sommateur 10.
Un moyen de détermination 11 de l'instant de fin de charge comprend le sommateur 10, le moyen de détermination 3 de la durée de début de charge, et le moyen de détermination 5 de la durée de fin de charge.
Dans ce premier mode de réalisation, l'estimation de l'instant de fin de charge repose sur une méthode empirique, en utilisant deux cartographies. L'estimation de la durée de charge dépend de la puissance de charge et de l'état de charge de la batterie. Les cartographies utilisées sont donc des cartographies comprenant deux entrées et une sortie.
Lors de la charge d'une batterie, on distingue deux phases pour une charge complète. Une charge complète correspond à la charge d'une batterie présentant un état de charge égal à 0% de la charge totale jusqu'à un état de charge égal à 100% de la charge totale.
Une première phase, nommée « début de charge », correspond à une phase au cours de laquelle la puissance de charge est constante.
Une deuxième phase, nommée « fin de charge », correspond une phase au cours de laquelle la puissance est réduite par paliers.
La cartographie correspondant à la première phase est comprise dans le moyen de détermination 3 de la durée de début de charge.
La cartographie correspondant à la deuxième phase est comprise dans le moyen de détermination 5 de la durée de fin de charge.
Le sommateur 10 réalise la somme des durées obtenues en sortie du moyen de détermination 3 de la durée de début de charge et du moyen de détermination 5 de la durée de fin de charge.
En vieillissant, les batteries présentent une diminution de leur capacité, et donc de leur temps de charge.
Toutefois, les cartographies comprises dans le moyen de détermination 3 de la durée de début de charge et dans le moyen de détermination 5 de la durée de fin de charge sont établies pour des charges complètes correspondant à des batteries neuves.
L'état de charge mesuré pour une batterie vieillissante ne correspond donc pas à l'état de charge d'une batterie neuve. La durée de charge déterminée est ainsi erronée sans une correction due au vieillissement. On rappelle qu'un état de charge est exprimé comme un rapport entre la charge courante et la charge maximale de la batterie.
Afin de conserver une estimation fiable de la durée de charge tout au long de la vie d'une batterie, il est nécessaire de corriger les valeurs d'états de charge transmises au moyen de détermination 3 de la durée de début de charge et au moyen de détermination 5 de la durée de fin de charge, selon le deuxième mode de réalisation de l'invention décrit en référence à la figure 2.
Pour cela, un moyen de correction de l'instant de fin de charge en fonction du vieillissement de la batterie peut être inséré en aval du moyen de détermination 1 de l'état de charge. En fonction d'une valeur mémorisée de la charge emmagasinée à l'issue d'une charge complète, le moyen de détermination 1 de l'état de charge est apte à déterminer l'état de vieillissement de la batterie. Il est également apte à modifier la valeur de l'état de charge déterminée par le moyen de détermination 1 de l'état de charge de sorte que la valeur de l'état de charge émise en sortie à destination du moyen de détermination 3 de la durée de début de charge et du moyen de détermination 5 de la durée de fin de charge intègre une correction de l'état de vieillissement.
La correction de l'état de vieillissement peut être par exemple un facteur multiplicatif de l'état de charge mesuré. Le facteur multiplicatif peut être issu du rapport entre la charge totale d'une batterie vieillissante et la charge totale de la même batterie neuve. Le facteur peut être également issu d'une loi comparant l'évolution de l'état de charge d'une batterie vieillissante à une batterie neuve. Sur la figure 2, on peut voir un moyen de détermination 11 de l'instant de fin de charge comprenant un moyen de modélisation 16 de la batterie et un moyen d'estimation 28 de l'instant de fin de charge.
Un moyen de détermination 1 de l'état de charge est relié par une connexion 13 à un premier filtre 14. Le filtre 14 est relié en sortie au moyen de modélisation 16 de la batterie, lui-même relié en sortie à une connexion 17. Une dérivation 18 est par ailleurs connectée à la connexion 15.
Une mémoire 19 est reliée par la connexion 20 à un moyen de détermination du vieillissement de la batterie 21, lui-même connecté en sortie à une connexion 22.
Un moyen de détermination 6 de la puissance du chargeur de batterie est relié par une connexion 23 à un deuxième filtre 24, lui-même relié en sortie à une connexion 25.
Un moyen de détermination de la température 26 est relié en sortie à une connexion 27.
Le moyen d'estimation 28 de l'instant de fin de charge est connecté en entrée aux connexions 17, 18, 22, 25 et 27. Un troisième filtre 30 est relié en entrée par la connexion 29 au moyen d'estimation 28 de l'instant de fin de charge et en sortie à une connexion 31.
Le moyen d'estimation 28 de l'instant de fin de charge permet de modéliser très précisément la physique impliquée dans la charge d'une batterie. Il permet de gagner des ressources mémoires et du temps sur la mise au point d'un système d'estimation de l'instant de fin de charge d'une batterie, par rapport à un système qui utiliserait des cartographies pour caractériser le temps de charge en fonction de chaque point de fonctionnement possible, c'est-à-dire pour une série de températures prédéfinies, de durées de vie prédéfinies, de puissances de charge prédéfinies et d'états de charge prédéfinis.
Alternativement, le moyen de détermination du vieillissement de la batterie 21 peut être supprimé, auquel cas le moyen de détermination 28 de l'instant de fin de charge prend en compte directement la valeur mémorisée dans la mémoire 19.
Le deuxième mode de réalisation emploie un modèle physique de la charge et de la décharge de la batterie afin de déterminer l'instant de fin de charge. Le modèle physique caractérise la durée de charge complète en fonction de la température de la batterie, de la puissance de charge de la batterie, de l'état de charge et du vieillissement de la batterie.
Afin d'obtenir ce modèle, on commence par modéliser la batterie à charger. Pour cela on exprime l'état de charge de la batterie SOC en fonction du courant de batterie I^bat, de la température de la batterie T, de la capacité de la batterie neuve Q₀ ^bat,max et de la capacité de la batterie Q^bat,max(T,t) à l'instant t et à la température T. $\frac{dSOC}{dt} = \frac{I^{bat}}{Q^{bat, \max} (T, t)}$
La capacité de la batterie se dégrade en fonction de sa température et de son état de charge. On en déduit une expression reliant tension, courant et résistance : $U^{bat} = U_{0} (T, SOC) + I^{bat} \cdot R (T, SOC)$

Avec U^bat : la tension de la batterie,
U₀(T,SOC) : la tension à vide de la batterie,
R(T,SOC) : la résistance de la batterie.

La tension à vide et la résistance interne de la batterie sont soit issues de cartographies empiriques, soit des fonctions issues de la théorie de l'électrochimie des batteries, soit issues d'une combinaison des deux.
L'élaboration d'un algorithme d'estimation tenant compte spécifiquement des non linéarités de la résistance et de la tension à vide permet d'augmenter la précision d'estimation.
Pour cela, on considère que la capacité de la batterie neuve Q^bat,max est un paramètre de l'équation 1.
La puissance de charge de la batterie peut être exprimée de la façon suivante : $P_{ch} = U^{bat} \cdot I^{bat}$
Si, dans l'équation 3, on substitue U^bat par son expression tirée de l'équation 2, on obtient l'expression suivante : $P_{ch} = I^{bat} \cdot [U_{0} (T, SOC) + I^{bat} \cdot R (T, SOC)]$
L'équation 4 peut être développée pour obtenir l'équation suivante : $P_{ch} = I^{bat} \cdot U_{0} (T, SOC) + {(I^{bat})}^{2} \cdot R (T, SOC)$
La résolution de cette équation permet de déterminer le courant I^bat : $I^{bat} = \frac{- U_{0} (T, SOC) + \sqrt{{[U_{0} (T, SOC)]}^{2} + 4 \cdot P_{ch} \cdot R (T, SCO)}}{2 \cdot R (T, SOC)}$
En remplaçant I^bat par son expression tirée de l'équation 6 dans l'équation 1, on obtient : $\frac{dSOC}{dt} = \frac{- U_{0} (T, SOC) + \sqrt{{[U_{0} (T, SOC)]}^{2} + 4 \cdot P_{ch} \cdot R (T, SOC)}}{2 \cdot R (T, SOC) \cdot Q^{bat, \max} (T, t)}$
L'équation 7 peut être reformulée pour exprimer la dérivée du temps dt : $dt = dSOC \cdot \frac{2 \cdot R (T, SOC) \cdot Q^{bat, \max} (T, t)}{- U_{0} (T, SOC) + \sqrt{{[U_{0} (T, SOC)]}^{2} + 4 \cdot P_{ch} \cdot R (T, SOC)}}$
L'intégration terme à terme de l'équation 8 permet de déterminer l'instant de fin de charge $t_{ch}^{f}$
étant donné l'instant de début de charget $t_{ch}^{i} .$
$t_{ch}^{f} = t_{ch}^{i} + \int_{S_{i}}^{S_{f}} \frac{2 \cdot R (T, SOC) \cdot Q^{bat, \max} (T, t)}{- U_{0} (T, SOC) + \sqrt{{[U_{0} (T, SOC)]}^{2} + 4 \cdot P_{ch} \cdot R (T, SOC)}} \cdot dSOC$
Avec

S_i : la valeur de l'état de charge SOC en début de charge
S_f : la valeur de l'état de charge SOC en fin de charge, qui peut être différente de 100%.
La difficulté réside dans l'intégration de l'équation 7 du fait de la complexité des expressions de la tension à vide U₀ et de la résistance R.

Afin de résoudre cette difficulté, une méthode de linéarisation de la tension à vide Uo et de la résistance R est proposée.
Comme décrit plus haut, la courbe de tension à vide en fonction de l'état de charge présente deux points d'inflexion délimitant trois zones distinctes. On estime que dans chacune de ces zones, la tension à vide varie linéairement avec l'état de charge. On peut associer un indice k à chacun des trois intervalles.
Pour chacune des zones, la tension à vide peut être exprimée sous la forme de l'équation suivante : $U_{0} = α_{k} \cdot SOC + β_{k}$
Avec :

k : un indice variant entre 0 et 2 et désignant l'une des trois zones ; on peut bien sûr découper la courbe de tension à vide en plus de trois zones ;
α_k et β_k : deux coefficients

Le même raisonnement peut être appliqué à la variation de la résistance interne R en fonction de l'état de charge de la batterie. La résistance interne R varie selon une relation polynomiale inverse et comprend deux zones dans lesquelles le taux de variation est différent. L'abscisse de la borne entre les deux zones est différente des abscisses des bornes séparant les zones relatives à la tension à vide.
Pour chacune des zones, la résistance peut être exprimée sous la forme de l'équation suivante : $R = ρ_{k} \cdot SOC + τ_{k}$
Avec :

k : un indice variant égal à 0 ou à 1 et désignant l'une des deux zones ; on peut bien sûr découper la courbe de résistance interne en plus de deux zones ;
ρ_k et τ_k deux coefficients.

Les coefficients α_k, β_k, ρ_k et τ_k sont déterminés de façon à approcher les relations de la tension à vide et de la résistance interne par des fonctions linéaires. De plus, les coefficients peuvent varier en fonction de la température et du type de batterie.
Si on note ki l'indice d'intervalle auquel appartient la valeur initiale Si de l'état de charge SOC et kf l'indice d'intervalle auquel appartient la valeur finale S_f du SOC, et que l'on considère les équations 10 et 11, l'expression (Eq. 9) définissant l'instant de fin de charge se transforme en l'expression suivante : $t_{ch}^{f} = t_{ch}^{i} + \sum_{ki \leq k \leq kf} \int_{S_{i}}^{S_{f}} f_{k} (T, SOC, Q^{bat, \max}, P_{ch}) \cdot dSOC$
L'estimation du temps de charge final passe par une succession d'étapes. On détermine d'abord l'indice ki correspondant à l'état de charge courant. L'indice ki est compris entre 0 et 3.
On applique ensuite l'équation 12 en remplaçant les valeurs de la résistance et de la tension à vide de l'équation 9 par les expressions linéaires des équations 10 et 11, en ayant pris soin de choisir les coefficients correspondant à l'indice ki déterminé. Les coefficients de ces équations sont préalablement déterminés.
Le système de détermination peut être intégré dans le calculateur principal du groupe motopropulseur ou dans le calculateur de la batterie.
Une application du deuxième mode de réalisation du système d'estimation de l'instant de fin de charge est d'optimiser la stratégie de charge de la batterie.
Le temps de charge de la batterie est réduit lorsque le système de détermination est utilisé. En effet, le système de détermination permet de minimiser le temps de charge de la batterie tout en minimisant la dispersion de la charge de la batterie. La minimisation de la dispersion de la charge de la batterie est obtenue en maximisant la puissance acceptée par la batterie au cours de la charge. Ceci est facilité par l'expression analytique du modèle du système de détermination. $t_{ch}^{f} = f (I, {SOC}_{f}, T, P^{bat, \max})$
avec P^bat,max : la puissance maximale que peut accepter la batterie sans compromette sa durée de vie.
On note σsoc la dispersion de la valeur de l'état de charge SOC. La dispersion de la valeur de l'état de charge de la batterie est dépendant de la dispersion du courant σ_I, elle-même dépendante de la température T et du courant I. Plus le courant augmente, plus le temps de charge diminue. Parallèlement, plus le courant diminue, plus la dispersion de l'état de charge diminue, et plus la contrainte sur la durée de vie de la batterie est respectée. Il existe ainsi un problème d'optimisation du courant de charge. Ce problème peut être résolu par des méthodes analytiques ou numériques.
Une autre application du deuxième mode de réalisation du système d'estimation de l'instant de fin de charge est d'optimiser les instants de charge du véhicule de façon interactive avec l'utilisateur afin d'améliorer la durabilité, l'autonomie et la disponibilité du véhicule. Le système permet d'améliorer l'autonomie du véhicule ainsi que sa disponibilité pour l'utilisateur. Par l'intermédiaire d'une interface homme machine, l'utilisateur peut être informé de la charge restante, de la durée de charge nécessaire pour une charge complète et de la prévision d'un instant de recharge. L'utilisateur peut également recevoir ces informations de façon synthétique à l'intérieur d'une application de navigation assistée par satellite (par ex, de type GPS) ou tout autre programme de planification de trajet.

Claims

Système d'estimation de l'instant de fin de charge d'une batterie connectée à un chargeur de batterie dans un véhicule automobile, comprenant un moyen de détermination (1) de l'état de charge d'une batterie, un moyen de détermination (6) de la puissance de charge du chargeur de batterie et un moyen de détermination (11) d'un instant de fin de charge, le système étant caractérisé en ce que le moyen de détermination (11) d'un instant de fin de charge comprend un moyen de détermination (3) d'une durée de début de charge et un moyen de détermination (5) d'une durée de fin de charge, le début de charge étant une phase au cours de laquelle la puissance de charge est constante et la fin de charge étant une phase au cours de laquelle la puissance de charge est réduite par paliers, et en ce qu'il comprend un moyen de correction de l'instant de fin de charge en fonction du vieillissement de la batterie relié en sortie du moyen de détermination (11) d'un instant de fin de charge et apte à modifier l'instant de fin de charge déterminé par le moyen de détermination (11) en fonction de l'état de vieillissement de la batterie.
Système selon la revendication 1, dans lequel le moyen de détermination (11) d'un instant de fin de charge comprend un moyen de modélisation (16) de la batterie utilisant une linéarisation de la tension à vide et de la résistance interne de la batterie, et un moyen d'estimation (28) de l'instant de fin de charge.
Système selon la revendication 2, dans lequel le moyen d'estimation (28) de l'instant de fin de charg.e est apte à déterminer l'instant de fin de charge en fonction d'un modèle mémorisé, de coefficients reçus d'un moyen de modélisation de la batterie, d'une valeur de charge maximale de la batterie reçue d'une mémoire (19), d'une mesure de l'état de charge, d'une mesure de la puissance de charge, et d'une mesure de la température de la batterie reçue d'un capteur de température (26) de la batterie.
Système selon la revendication 3, comprenant un moyen de détermination (21) du vieillissement de la batterie relié entre la mémoire (19) et le moyen de détermination (11) de l'instant de fin de charge.
Système selon l'une des revendications 3 ou 4, comprenant un filtre en aval du moyen de détermination (1) de l'état de charge d'une batterie et du moyen de détermination (6) de la puissance de charge du chargeur de batterie permettant d'atténuer les bruits de mesure.
Procédé de détermination de l'instant de fin de charge d'une batterie, dans lequel on détermine l'état de charge d'une batterie, on détermine la puissance de charge du chargeur de batterie et on détermine un instant de fin de charge en fonction de l'état de charge et de la puissance de charge,
le procédé étant caractérisé en ce qu'on détermine une durée de début de charge et une durée de fin de charge, le début de charge étant une phase au cours de laquelle la puissance de charge est constante et la fin de charge étant une phase au cours de laquelle la puissance de charge est réduite par paliers, et en ce qu'on détermine une correction de l'instant de fin de charge déterminé, en fonction du vieillissement de la batterie.
Procédé selon la revendication 6, dans lequel on détermine l'instant de fin de charge en fonction d'un modèle, d'une valeur de charge maximale mémorisée, d'une mesure de l'état de charge, d'une mesure de la puissance de charge, et d'une mesure de la température de la batterie.